简易湿度测量仪的设计与制作

课程设计报告课程名称：科技创新实践课程设计设计题目：简易湿度测量仪的设计与制作成绩：姓名：XXXX XXXX学号：XXXXXXXXXXXXXXXX专业：通信工程班级：XXXXXXXXXXXXXXXX学院：机电与信息工程学院指导教师：XXXXXXXX时间：XX年XX月XX日摘要：科技创新实践课程的目的是为了培养和提高学生的实践能力，动手能力，创新精神和创造能力，为学生参加校内外的各类科技创新实践活动提供必要的准备，为毕业后参加科研打下坚实的基础。通过本课程的学习和实践，能够培养学生良好的创新精神和创新能力，加深并扩大所学的理论知识范围，强化学生运用基本理论分析和处理实际问题的能力，同时有助于学生养成实事求是，一丝不苟，严谨的科学态度和独立工作能力。本系统利用humirel公司的HS1101电容式高分子湿度传感器构成的湿度一频率转化电路实现湿度到频率的转化，通用型（F/V）变换器实现频率到电压的转化，最后使用LM324构成减法电路将LM331输出的湿度信号调整为满足3又1/2位数字是电压表显示要求的信号。555定时器、LM331等的直流供电电源要结合显示器件统一考虑，因此本系统采用±5V电源供电。实验测试结果表明，本系统性能稳定，测量精度高。关键词：湿度一频率转换，频率一电压转换，单级放大，3又1/2位DVMTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、 课程设计内容及要求 2\o"CurrentDocument"（一） 设计内容 2\o"CurrentDocument"（二） 设计要求 2\o"CurrentDocument"二、 系统方案论证及设计原理 2（一） 方案论证 2湿度的表示方法 2\o"CurrentDocument"湿度的测量 2（二） 系统设计原理 3\o"CurrentDocument"湿度一频率转换模块 .4\o"CurrentDocument"频率一电压转换模块 .4\o"CurrentDocument"湿度信号调理电路模块 .4\o"CurrentDocument"三、 系统测量与调试 5（一） 系统测量原理 .5湿度一频率转换模块的测量 5\o"CurrentDocument"频率一电压转换模块的测量 6湿度信号调理电路模块 6\o"CurrentDocument"（二） 系统调试方法 .6\o"CurrentDocument"四、 总结与体会 .6\o"CurrentDocument"五、 参考文献 6一、 课程设计内容及要求（一） 设计内容设计一个简易湿度测量仪，用来测量空气的湿度.（二） 设计要求技术指标：湿度测量范围：5%RHs95%RH，测湿精度：±2%RH测量结果用数字显示二、 系统方案论证及设计原理（一）方案论证湿度的表示方法空气中含有水蒸气的量称为湿度。湿度的表示方法有很多，主要有质量百分比和体积百分比、相对湿度和绝对湿度、露点（霜点）等表示法。（1） 相对湿度：水蒸气压是在一定的温度条件下，混合气体中存在的水蒸气分压（e）。而饱和蒸汽压是指在同一温度下，混合气体中所含水蒸气压的最大值（e）。温度越高，饱和水蒸汽压越大。在某一温度下，待测气体中的水蒸汽分压与相同温度下水的饱和水蒸汽压的百分比，称为相对湿度，用％RH表示,它是一个无量纲的量，其表示式为：%RH=（e/es）x100%式中的e表示待测气体中的水中蒸汽分压；es表示待测气体中的饱和水蒸汽压。（2） 绝对湿度：绝对湿度表示单位体积内，空气中所含水蒸汽的质量，用AH表示。其定义为：AH=（m/V）[单位是克/立方米-g/M3]式中，m—待测空气中水蒸汽的质量V---待测空气的总体积p^-待测空气的绝对湿度湿度的测量湿度传感器是能感受到外接湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质的变化，将湿度信号转化为有用信号的器件。对湿度传感器通常要求：在各种环境中稳定性好，响应时间

短，寿命长，有互换性，耐污染和受温度影响小等。有电容式和电阻式两种。在实际的测量中，对湿度传感器的电容值和电阻值进行直接测量并不方便，对其变化量的测量显得更为困难，所以不采用直接测量的方式，而是将电容信号或电阻信号转换成易于测量的电流、电压或频率信号。可用HS1101将湿度变化转换为电容变化，再将电容的变化转换为频率信号的变化。HS1101的典型性曲线如图2-1所示。7^//图7^//图2-1HS1101的典型相应曲线%IRHHS1101的电容的拟和曲线公式：C(pf)=C@55%*(1.25*1&7RH-3-1.36*10-5RH2+2.19*10-3RH+9.01*10-1)通过HS1101的典型曲线图可见在要求不高的情况下，可以认为相对湿度一电容成线性关系。将湿度信号转换为频率信号后，由于A/D转换器的输入信号是电压信号，所以必须将频率信号进一步转换为电压信号LM331输出的湿度信号不一定能满足显示器件的要求，例如要用3又1/2位数字式电压表显示，在湿度测量范围内(0%RHs100%RH)，最好将湿度信号调整到0〜100mV或0〜1V,这样便于用3又1/2位数字式电压表的0〜200mV或0〜2V档显示.可用减法电路对湿度信号进行调整。(二)系统设计原理本次设计采用模块化设计方法，把湿度测量仪分为三个大的模块来进行设计实现。这三个模块分别为湿度一频率转换模块、频率一电压转换模块和湿度信号调理电路模块，而湿度信号调理电路模块中又包含了3又1/2位数字式电压表的工作原理。

湿度一频率转换模块本模块应用了由7555定时器组成的典型多谐振荡电路。如图2-2所示。十5F_OUt可变电容的HS1101接在沼十5F_OUt可变电容的HS1101接在沼脚和6脚放电至阀值电压，约0.67V亨2：燃后通过R2放电至触发端电压，约0.33Vcc。相当于R2和R4充，7脚用作R4的对地短路。HS1101通过频率一电压转换模块本模块采用了由LM331组成的F/V转换电路，如图2-3所示。该电路F/V线性度较好，温度系数低，功耗低以及动态范围宽等特点。温度系数低，功耗低以及动态范围宽等特点。图2-3由LM331组成的F/V电路湿度信号调理电路模块减法电路原理如图2-4所示。

常用的减法电路图2-4常用的减法电路图2-4其传递函数是（2）3又1/2位数字式电压表的工作原理5G14433芯片是将输入的模拟电压转换成数字量的核心芯片，其余的都是他的外围副主芯片，5G1403为5G1433提供反响几分用的高精度、高稳定参考电源，5G4511接收5G14433输出的BCD代码，并将它译成气短数码管的输入信号a〜g，送给四个LED七段显示数码管。四个数码管的输入端a〜g并连在一起°5G1413的四个输出端Q1〜Q4分别接到四个数码管的阴极，为数码管提供导电通路。5G1413接收5G1433发出的选通脉冲ds1〜ds4，使Q4〜Q1轮流为低电平，控制四个数码管工作，事先扫描显示。三、系统测量与调试本次设计的测量设计方法是先各个模块分别进行测量调试，各模块都没有问题后再将各模块连接成一个整体进行调试。（一）系统测量原理湿度一频率转换模块的测量在实际的测量中，对湿度传感器的电容值和电阻值进行直接测量并不方便，对其变化量的测量显得更为困难，所以不采用直接测量的方式，而是将电容信号或电阻信号转换成易于测量的电流、电压或频率信号。本模块将湿度转换为频率进行测量。通过图2-1HS1101的典型相应曲线知，湿度为0%RH〜100%RH所对应的相应频率为160pF〜200pF。经计算得知相应的频率范围为7000Hz〜3000Hz。本模块的输出为频率约为6500Hz的方波。频率一电压转换模块的测量本模块通过将由模块1得到的频率用信号发生器输出给模块2的输入频率，然后测量模块2的输出电压值。用信号发生器输出3000Hz〜7000Hz的方波信号，接在图2-3的F_in作为输入信号，在输出端V0处将得到一个电压变化范围。本次设计的电压变化范围为3.60V〜3.680V，即频率为3000Hz时对应的电压值为3.60V，频率为7000Hz时对应的电压值为3.680V，期间缓慢增长，总共变化范围为80mV。湿度信号调理电路模块本模块包括一个集成运放电路进行电压的放大，和一个分压电路。本次设计采用了两个51K和68K的电阻进行放大，放大倍数约为1.3倍，这样便能够将电压放大到100mV档。将第2模块与第3模块连接起来后将在图2-4的Ui1端得到一个电压值为3.654V，则分压电路的作用就是产生和Ui1端相同的电压作为Ui2的输入，这样就能够使得3又1/2位数字式电压表测量的值能够调到0的值。（二）系统调试方法本次设计的测量方法如上所述，而调试方法就是根据以上由测量方法计算出来各模块的理论值来对测量结果进行调试，直到测量值与理论值相等为止。然后将所有模块连接起来，用一个可变电容来代替湿度传感器HS1101，通过调节可变电容的阻值在160pF〜200pF变化，来得到湿度范围在0%RH〜100%RH范围内变化，最终得到一个完整的测量仪。四、总结与体会通过这次课程设计，我了解了设计的方法和思路，首先，应该明确设计的要求，到底让我们做什么，要达到什么样的效果，目的要明确。其次，将设计问题分解，分成几个模块，画出方框图并说明各个模块间的联系，有针对性的分别去设计各个模块，分块检错，消除模块内的问题。最后，将各个模块联系起来，整体来调试，发现模块间的问题，不断的修改调试，已达到最终的要求。在这次湿度测量仪的设计制作中，虽然在期间遇到了许多问题，如各模块的布局，模块的整合，还有导线的接触不良、电阻阻值的计算等，但是在王老师的指导下，我们积极查找相关资料来解决出现的问题，最终完成了此次课程设计。总的来说，在这次课程设计过程中我们学到了很多，既是对我们过去所学电路知识